Курочкина Экология.Краткий курс

тате стагнации. Стагнация (лат. стагнум – стоячая вода) – это естественная блокировка круговорота какого-либо вещества.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, которые содержат до 500 млрд т этого элемента. Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, газа, нефти и вырубка лесов) приводит к увеличению содержания CO2 в атмосфере и развитию парникового эффекта (рис. 6).

Рис. 6. Влияние парниковых газов на тепловой баланс Земли (по Л. И. Цветковой и др., 1999 г.)

Все виды солнечного излучения достигают поверхности Земли и нагревают ее. Часть тепловой энергии, отражаясь от поверхности Земли должна уходить в космическое пространство, но эта энергия интенсивно поглощается парниковыми газами. Основным парниковым газом является углекислый газ, он задерживает от 50 – 65 % энергии; метан – около 20 %; оксиды азота – не более 5 %; озон, фреоны и другие газы – 10 – 25 %. Вследствие парникового эффекта за последние 100 лет содержание углекислого газа в атмосфере возросло на 20 %, при этом средняя температура у поверхности Земли увеличилась на 0,5 – 0,6 С. Как показывают компьютерные модели, во второй половине ХХI столетия температура может повыситься на 1 – 3,5 С, причем повышение будет неравномерное, если на экваторе оно составит около 1 – 2 С, то на полюсах может достичь 6 – 8 С. Большинство ученых указывают на то, что столь значительное

41

повышение средней температуры у поверхности Земли изменит погоду, климат и приведет к следующим негативным последствиям:

–затопление прибрежных зон океанов и морей, при этом целые государства уйдут под воду, множество беженцев мигрируют вглубь материков;

–таяние ледников в горах, в результате изменение режима рек и внутренних морей, что также отразится на жизни населения, проживающего вдоль этих водоемов;

–таяние ледников Гренландии, Арктики, Антарктики приведет к изменению альбедо (от лат. albus – светлый) Земли, т. е. отражательной способности Земли (отношение светового потока, отраженного Землей, обратно в космическое пространство, к поступающей энергии) и повлияет на процессы тепломассопереноса в атмосфере и океане;

–воздействие указанных выше факторов изменит циркуляцию воздушных потоков в атмосфере, изменит режим осадков, что приведет к увеличению существующих пустынь и появлению новых;

–отдельные виды и целые экосистемы могут исчезнуть, т. к. не смогут адаптироваться в короткие сроки к повышению температуры;

–повышение температуры Мирового океана приведет к переходу от поглощения углекислого газа из стратосферы океаном к его выделению, что еще в большей степени разбалансирует климат на нашей планете.

Вместе с тем, глобальное потепление может иметь и положительные моменты как в целом по планете, так и для отдельных регионов:

–исследования показали, что при повышении концентрации углекислого газа в атмосфере в два раза урожайность большинства сельскохозяйственных культур возрастет на 30 %;

–для России предполагаемое потепление в ближайшие 100 лет будет иметь больше преимуществ, чем негативных последствий. Например, зона рискованного земледелия отодвинется на 500 – 1000 км на север. Судоходство по Северному морскому пути не будет сопровождаться ледоколами в течение всего сезона, т. к. увеличение средней приземной

температуры на 1 – 3,5 С означает увеличение средней температуры на полюсах на 6 – 8 С.

Для того чтобы уменьшить выбросы углекислого газа в атмосферу, необходимо значительно сократить количество углеродосодержащего топлива.

В июне 1988 г. в Торонто состоялась международная конференция, которая рекомендовала сократить выбросы CO2 в атмосферу к 2005 г. на 20 %, используя альтернативные источники энергии.

42

В1992 г. конференция ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро приняла конвенцию об изменении климата, по которой необходимо было стабилизировать к 2000 г. выбросы парниковых газов на уровне 1990 г.

Вдекабре 1997 г. состоялась Киотская международная конференция,

витоговом документе которой предусматривалось общее сокращение выбросов в атмосферу парниковых газов на 5,2 %. К 2008 – 2012 гг. страны Европейского союза должны сократить выбросы парниковых газов на 8 % от уровня 1990 г., США – на 7 %, Япония, Канада – на 6 %. Россия до 2012 г. может производить выбросы на уровне 1990 г. из-за сокращения промышленного производства. По протоколу возможна торговля квотами на эмиссию парниковых газов, особенно для тех стран, которые сохранили огромные лесные массивы. Основные «поставщики» CO2 в атмосферу, США и Китай, не ратифицировали протокол конференции.

4.2.2. Круговорот азота

Круговорот азота – один из самых сложных, но одновременно и один из самых идеальных круговоротов. Азот является жизненно важным элементом, входит в состав белков и нуклеиновых кислот.

Газообразный азот выделяется в результате окисления аммиака, образующегося при извержении вулканов и разложении биологических отходов:

4NH3 + 3O2 2N2 + 6H2O.

В свободном виде азот составляет 78 % атмосферного воздуха, но является химически инертным газом и поэтому недоступен большинству организмов. Растения усваивают азот лишь после его соединения с кислородом или водородом. Процессы превращения азотсодержащих веществ в форму, пригодную для усвоения высшими растениями, называются нитрификацией. В природных условиях связывание атмосферного азота происходит под действием света и при грозовых разрядах, в результате образуется азотная кислота, которая с осадками попадает в почву:

N2+O2 2NO;

2NO+O2 2NO2;

4NO2+2H2O+O2 4HNO3.

Но при разрядах молний незначительное количество атмосферного азота (4 – 10 кг/га) вовлекается в круговорот, значительно больше благо-

43

даря азотфиксации. Процесс связывания азота осуществляют микроорганизмы азотфиксаторы (метанобразующие и сульфатвосстанавливающие бактерии, грибы, сине-зеленые водоросли, клубеньковые бактерии и др.). Таким путем за год накапливается азота 150 – 400 кг/га. Однако пресыщения биосферы связанным азотом не происходит. Азот почвы потребляют растения в виде нитратов, нитритов и солей аммония.

В составе растительных белков его используют животные. Возврат азота в атмосферу осуществляемый бактериями-денитрификаторами, которые разлагают нитраты до нитритов, аммиака и молекулярного азота и кислорода.

Азот может выключаться из круговорота путём аккумуляции в глубоководных осадках океана. Однако это компенсируется выделением его в составе вулканических газов.

Влияние деятельности человека на цикл азота определяется следующими процессами:

–сжигание топлива приводит к образованию оксида азота, что способствует выпадению кислотных дождей;

–в результате воздействия микроорганизмов на удобрения и отходы животноводства образуется закись азота, что способствует усилению парникового эффекта;

–для производства минеральных удобрений возрастает добыча полезных ископаемых, содержащих нитрат-ионы и ионы аммония;

–при распашке земель примерно в 5 раз снижается активность фиксации азота микроорганизмами и активизируется деятельность разрушающих азотные соединения бактерий. При сборе урожая из почвы выносятся соединения азота. В итоге уменьшается содержание связанного азота в его основном хранилище – почве;

–стоки с полей, ферм и из канализаций увеличивают количество нитрат-ионов и ионов аммония в водных экосистемах, что ускоряет рост водорослей, приводящий к процессу эвтрофикации.

Эвтрофикация (греч. eutrophia – хорошее питание) – это повышение уровня первичной продуктивности водоёмов из-за повышения в них концентрации биогенных веществ, в основном азота и фосфора, поступающих обычно из-за смыва удобрений с полей. Эвтрофикация приводит к «цветению» воды, вызываемому массовым развитием сине-зелённых и других водорослей, зарастанию прибрежной зоны, к уменьшению прозрачности и содержания кислорода. Высокая степень эвтрофикации приводит к заморам рыб и других гидробионтов.

44

4.2.3. Круговорот фосфора

Минеральный фосфор – редкий элемент, содержание его в земной коре не превышает 1 %, что ограничивает продуктивность экосистем. Фосфор является жизненно важным элементом, входит в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), клеточных мембран, жиров, костей и зубов. Кроме того, он необходим для построения таких молекул, которые способны аккумулировать все виды энергии и распределять ее в зависимости от потребностей организма. Основным источником неорганического фосфора служат изверженные породы (апатиты) и древние осадочные (фосфориты).

Общий круговорот фосфора делится на две части – наземную и морскую, причем основная часть круговорота протекает в океане. В наземных экосистемах фосфор поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические вещества. Далее фосфор передается по пищевой сети. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых организмов возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в ортофосфаты (фосфаты), употребляемые зелеными растениями.

В наземных системах круговорот фосфора происходит с минимальными потерями, в отличие от водных экосистем. В океане большая часть фосфора оседает, уходит на дно, исключается из круговорота и лишь небольшая часть усваивается фитопланктоном. Фитопланктон – основной источник кислорода и органических веществ для других обитателей водной экосистемы, вплоть до морских птиц. Их экскременты (исп. гуано) либо сразу попадают в море, либо в больших количествах скапливаются у берегов, а затем смываются водными потоками в море. Скелеты морских животных, особенно рыб, достигают больших глубин, и заключенный в них фосфор оседает на дно морей и океанов. Возврат фосфора в круговорот в природе происходит медленно и не компенсирует его потери. Сейчас не происходит поднятия донных отложений на поверхность, лишь спустя миллионы лет геологические процессы смогут поднять океанические отложения фосфатов и вернуть их в круговорот, что делает круговорот фосфора менее замкнутым. Главным отличием рассмотренного круговорота является то, что резервным фондом его является не атмосфера, а горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи.

Ежегодно добывается 1 – 2 млн. т фосфорсодержащих пород с целью использования либо в качестве удобрений, либо в производстве моющих

45

средств, что приводит к отрицательным последствиям: к истощению запасов фосфоритов, апатитов; к эвтрофикации водоемов.

Таким образом, круговорот фосфора является лимитирующим (ограничивающим) все другие круговороты и определяющим стабильность биосферы.

4.2.4. Круговорот серы

В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS2 и др.), в водных экосистемах – в форме иона (SO42-), в виде газообразных соединений сероводорода (H2S) или сернистого газа (SO2), а также в свободном состоянии – самородная сера. Следовательно, резервный фонд серы находится не только в литосфере, но и в атмосфере в отличие от фосфора. Сера жизненно необходима живым организмам, она входит в состав белков и аминокислот, а у растений, кроме того, – в состав эфирных масел.

Большая часть круговорота серы происходит в почве и в водоемах при участии многочисленных микроорганизмов, которые окисляют сульфидную серу до сульфатной серы, которую и поглощают растения. Поглощая сульфаты, растения восстанавливают их и создают серосодержащие аминокислоты, которые необходимы для построения серосодержащих белков. В процессе разрушения микроорганизмами остатков организмов образуется сероводород, который далее окисляется хемосинтезирующими бактериями либо до элементарной серы, либо до сульфатов, которые доступны продуцентам.

Заключительная стадия круговорота серы полностью осадочная. В почве и глубоководных осадках сульфатная сера может образовывать залежи гипса, а сероводород в присутствии железа – сульфиды железа, практически не растворимые в воде. По истечении времени и сульфиды, и гипс вновь подвергнутся разрушению, и сера возобновит свой цикл.

Деятельность человека нарушает круговорот серы тем, что при сжигании большого количества ископаемого топлива (мазута и угля с высоким содержанием серы), увеличивается содержание в атмосфере сернистого газа (SO2), который, смешиваясь с водяным паром, приводит к образованию кислотных дождей (рис. 7).

Термин «кислотные дожди», обозначающий атмосферные осадки с повышенной кислотностью (рН ниже 5,6), ввёл английский инженер Роберт Смит в 1872 г. в своей книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии».

46

Рис. 7. Схема образования кислотного дождя

Проблема кислотных дождей возникла в начале 70-х годов ХХ в. Первыми эту проблему ощутили страны Скандинавского полуострова, где тысячи озер становились «мертвыми», погибали все представители флоры и фауны из-за закисления воды (рН 5). Затем с этой проблемой столкнулись в США, Канаде, Северной Европе, России, Японии (рис. 8). Кислотные дожди являются трансграничными загрязнениями. Выбрасывают SO2 одни страны, а с проблемой кислотного дождя сталкиваются другие страны, т. к. процесс образования капелек кислоты во времени очень длительный и воздушные массы могут относить их на сотни километров от источника выбросов. Основным «экспортером» кислотных дождей в 80-х годах стала Великобритания. На территорию России больше в 8 раз поступает сернистого газа, чем выносится с ее территории в другие государства. От кислотных осадков страдают не только озера, но и леса, поля, пастбища. Кислота разъедает исторические памятники, бетонные фундаменты, трубопроводы и усиливает коррозию строительных конструкций из железа и других металлов. Капельки кислоты, содержащиеся в воздухе, негативно воздействуют на человека, вызывая аллергию и бронхит. При вдыхании кислотных частиц с пылью, содержащей тяжелые металлы, возможен рост раковых опухолей.

Для уменьшения выбросов сернистого газа предпринимаются следующие меры:

–замена угля на низкосернистые виды топлива (газ);

–промывка угля после измельчения;

–химическое удаление серы – десульфурация;

–использование скрубберов – жидких фильтров, пропитанных раствором извести, для газообразных продуктов сгорания;

–сжигание угля в псевдосжиженном слое в смеси с песком и известью, при этом сера соединяется с известью и удаляется с золой.

47

Рис. 8. Средние значения рН = 4,1…4,9 осадков в Европе по данным наблюдений за 1978 – 1982 гг.

В1983 г. начала действовать Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на больших расстояниях. В 1985 г. в Хельсинки 20 государств

иКанада подписали Протокол о снижении выбросов серы на 30 %. Принятые меры в странах Большой семерки в 1970 – 1990 гг. позволили снизить выбросы SOх.

Врамках круговорота всех элементов происходит избавление от отходов и получение ресурсов, что является основополагающим фактором, обеспечивающим существование экосистем.

4.3.ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ БИОСФЕРЫ И ИХ РАЦИОНАЛЬНОЕ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

4.3.1. Классификация природных ресурсов

Природные ресурсы – это не только полезные ископаемые, но и солнечный свет, воздух, вода, почва, животные и растения, т. е. все многообразие окружающего нас мира, которое человек использует с самого начала своего существования.

Существует несколько классификаций природных ресурсов. По источникам происхождения:

–биологические;

–минеральные;

–энергетические.

48

По использованию в качестве производственных ресурсов:

–земельный фонд;

–лесной фонд;

–водные ресурсы;

–гидроэнергетические ресурсы;

–обитатели вод, лесов, степей (фауна);

–полезные ископаемые, которые подразделяются на рудные, топ- ливно-энергетические ресурсы, запасы минерально-химического сырья и редкие материалы.

По степени исчерпаемости ресурсов:

–неисчерпаемые ресурсы – ресурсы, количество которых не ограничено относительно наших потребностей, например атмосферный воздух, осадки, солнечная радиация, энергия ветра, морских приливов и отливов, земных недр;

–исчерпаемые ресурсы, которые расходуются при использовании человеком и в дальнейшем могут исчезнуть. Они подразделяются на возобновимые и невозобновимые.

Невозобновимые природные ресурсы – это ресурсы, скорость использования которых не сопоставима со скоростью их использования. К данной группе ресурсов относится каменный уголь, нефть и большинство полезных ископаемых.

Возобновимые природные ресурсы по мере использования постоянно восстанавливаются. В основном, к таким ресурсам относятся представители флоры и фауны. Темпы их расходования должны соответствовать темпам их восстановления. Темпы восстановления различны: для восста-

новления животных требуется от одного до нескольких лет, леса – 30 – 80 лет, почвы – несколько десятилетий.

4.3.2. Рациональное природопользование

Природопользование – это теория и практика использования человеком природной среды и природных ресурсов, т. е. это сфера общественнопроизводственной деятельности, направленной на удовлетворение потребностей человека в качестве и разнообразии окружающей среды, на улучшение использования естественных ресурсов биосферы. Другими словами, природопользование – это система деятельности, направленная на обеспечение наиболее эффективного режима воспроизводства и экономной эксплуатации природных ресурсов с учетом перспективных интересов развивающегося хозяйства и здоровья людей.

49

Выделяют два типа природопользования:

–нерациональное – это система деятельности, не обеспечивающая сохранение природно-ресурсного потенциала, которая ведет к исчерпанию природных ресурсов, подрыву восстановительных сил природы, загрязнению окружающей среды, снижению ее оздоровительных и эстетических достоинств;

–рациональное – это система деятельности, направленная на наиболее экономную эксплуатацию природных ресурсов, их эффективное воспроизводство с учетом перспективных интересов человечества.

Составные части рационального природопользования – охрана, освоение и преобразование природы.

При использовании практически неисчерпаемых ресурсов рациональность природопользования измеряется, прежде всего, наименьшими эксплуатационными расходами, наибольшими коэффициентами полезного действия добывающих производств и установок. Охрана исчерпаемых, но возобновляемых ресурсов должна быть направлена на поддержание их ресурсооборота и продуктивности. Рациональная эксплуатация таких ресурсов включает экономическую, комплексную и безотходную добычу и сопровождается мероприятиями по предотвращению ущерба смежным видам ресурсов.

Для ресурсов, исчерпаемых и при этом невозобновляемых, важны комплексность и экономичность добычи, сокращение отходов. Рациональный подход к природопользованию должен опираться на два фундаментальных принципа:

–возможно наиболее полное исследование природного ресурса;

–доведение неиспользованных отходов производства до такого состояния, при котором они могут быть включены в естественный биологический круговорот.

На сегодняшний день основными принципами рационального природопользования являются следующие положения:

–полная оценка геологических условий в промышленном строительстве;

–комплексное использование минеральных ресурсов;

–применение во всех отраслях хозяйства безотходных технологий и замкнутых циклов газо- и водопотребления;

–исключение вредных выбросов и отходов в окружающую среду. Американский эколог Барри Коммонер в 1974 г. сформулировал че-

тыре положения, раскрывающие суть системы рационального природо-

50